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Nanotecnologia na medicina: enorme potencial, mas quais são os riscos?

A nanotecnologia, a manipulação da matéria na escala atômica e molecular para criar materiais com propriedades novas e notavelmente variadas, é uma área de pesquisa em rápida expansão, com grande potencial em muitos setores, que vão desde a assistência à saúde até a eletrônica. Na medicina, promete revolucionar o fornecimento de medicamentos, terapia genética, diagnósticos e muitas áreas de pesquisa, desenvolvimento e aplicação clínica.

Este artigo não tenta cobrir todo o campo, mas oferece, por meio de alguns exemplos, alguns insights sobre como a biotecnologia tem o potencial de mudar a medicina, tanto no laboratório de pesquisa quanto clinicamente, enquanto aborda alguns dos desafios e preocupações que ela tem. levanta.

O que é nanotecnologia?

O prefixo “nano” deriva do grego antigo para “anão”. Na ciência, significa um bilionésimo (10 a menos 9) de algo, assim, um nanômetro (nm) é um bilionésimo de um metro, ou 0,000000001 metros. Um nanômetro tem cerca de três a cinco átomos de largura, ou seja, 40.000 vezes menor que a espessura do cabelo humano. Um vírus tem tipicamente 100 nm de tamanho.

A capacidade de manipular estruturas e propriedades em nanoescala na medicina é como ter uma bancada de laboratório submicroscópica na qual você pode manipular componentes de células, vírus ou pedaços de DNA, usando uma série de pequenas ferramentas, robôs e tubos.

Mão do cientista segurando modelo molecular da esfera de grafite

Manipulando DNA

Terapias que envolvem a manipulação de genes individuais, ou os caminhos moleculares que influenciam sua expressão, são cada vez mais investigadas como uma opção para o tratamento de doenças. Um objetivo muito procurado neste campo é a capacidade de adaptar os tratamentos de acordo com a composição genética de pacientes individuais.

Isso cria uma necessidade de ferramentas que ajudem os cientistas a experimentar e desenvolver tais tratamentos.

Imagine, por exemplo, ser capaz de estender uma seção do DNA como uma mecha de espaguete, para que você possa examinar ou operar nela, ou construir nanorrobôs que possam “andar” e realizar reparos dentro dos componentes da célula. A nanotecnologia está aproximando esse sonho científico da realidade.

Por exemplo, cientistas da Universidade Nacional da Austrália conseguiram prender esferas de látex revestidas às extremidades do DNA modificado, e depois usando uma “armadilha óptica” que compreende um feixe de luz focado para manter as contas no lugar, elas estenderam a fita de DNA para estudar as interações de proteínas de ligação específicas.

Nanobots e Nanostars

Enquanto isso, químicos da Universidade de Nova York (NYU) criaram um robô em nanoescala a partir de fragmentos de DNA que caminha sobre duas pernas, a apenas 10 nm de comprimento. Em um artigo de 2004 publicado na revista Nano Letters, eles descrevem como seu “nanowalker”, com a ajuda de moléculas de psoraleno presas às extremidades de seus pés, dá seus primeiros passos: dois para frente e dois para trás.

Um dos pesquisadores, Ned Seeman, disse que prevê a possibilidade de criar uma linha de produção em escala de moléculas, onde você move uma molécula até que a localização certa seja alcançada, e um nanobot faz um pouco de química sobre ela, -welding “na linha de montagem acar. O laboratório de Seeman na NYU também está procurando usar a nanotecnologia de DNA para fazer um computador de biochip, e para descobrir como as moléculas biológicas se cristalizam, uma área que atualmente está repleta de desafios.

O trabalho que Seeman e seus colegas estão fazendo é um bom exemplo de “biomimética”, em que com a nanotecnologia eles podem imitar alguns dos processos biológicos da natureza, como o comportamento do DNA, para projetar novos métodos e talvez até aprimorá-los.

Nanobots baseados em DNA também estão sendo criados para atacar células cancerígenas. Por exemplo, pesquisadores da Harvard Medical School nos EUA relataram recentemente na Science como eles criaram um “nanorobô de origami” a partir do DNA para transportar uma carga molecular. O nanobot em forma de barril pode transportar moléculas contendo instruções que fazem as células se comportarem de uma maneira particular. Em seu estudo, a equipe demonstra com sucesso como as moléculas entregues que desencadeiam o suicídio celular em células de leucemia e linfoma.

Nanobots feitos de outros materiais também estão em desenvolvimento. Por exemplo, o ouro é o material que os cientistas da Universidade Northwestern usam para fabricar “nanostars”, nanopartículas simples, especializadas e em forma de estrela que podem fornecer drogas diretamente ao núcleo das células cancerosas. Em um artigo recente da revista ACS Nano, eles descrevem como os nanostares carregados de drogas se comportam como pequenos caroneiros, que depois de atraídos por uma proteína superexpressa na superfície de células de câncer cervical e ovariano humano, depositam sua carga nos núcleos dessas células. .

Os pesquisadores descobriram que dar a nanorrobôs a forma de uma estrela ajudou a superar um dos desafios de usar nanopartículas para fornecer drogas: como liberar as drogas com precisão. Eles dizem que a forma ajuda a concentrar os pulsos de luz usados ​​para liberar as drogas precisamente nos pontos da estrela.

Nanofactories que fazem drogas in situ

Os cientistas estão descobrindo que as drogas baseadas em proteínas são muito úteis porque podem ser programadas para transmitir sinais específicos às células. Mas o problema com a entrega convencional de tais drogas é que o corpo quebra a maioria deles antes de chegar ao seu destino.

Mas e se fosse possível produzir tais drogas in situ, diretamente no local de destino? Bem, em uma edição recente da NanoLetters, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) nos EUA mostram como pode ser possível fazer exatamente isso. Em seu estudo de prova de princípios, eles demonstram a viabilidade de auto-montagem de “nanofábricas” que produzem compostos proteicos, sob demanda, em locais-alvo. Até agora eles testaram a idéia em camundongos, criando nanopartículas programadas para produzir proteína fluorescente eithergreen (GFP) ou luciferase exposta à luz UV.

A equipe do MIT teve a idéia ao tentar encontrar uma maneira de atacar tumores metastáticos, aqueles que cresceram de células cancerígenas que migraram do local original para outras partes do corpo. Mais de 90% das mortes por câncer são devidas ao câncer metastático. Elas agora estão trabalhando em nanopartículas que podem sintetizar drogas contra o câncer em potencial, e também em outras maneiras de ativá-las.

Pesquisador trabalhando com instrumento óptico em um laboratório de nanotecnologia.

Nanofibras

As nanofibras são fibras com diâmetros inferiores a 1.000 nm. Aplicações médicas incluem materiais especiais para curativos e tecidos cirúrgicos, materiais usados ​​em implantes, engenharia de tecidos e componentes de órgãos artificiais.

As nanofibras de carbono também são promissoras para imagens médicas e ferramentas precisas de medição científica. Mas há grandes desafios a superar, um dos principais sendo como fazê-los consistentemente do tamanho correto. Historicamente, isso tem sido essencial e demorado.

Mas no ano passado, pesquisadores da North Carolina State University, revelaram como desenvolveram um novo método para fabricar nanofibras de carbono de tamanhos específicos. Escrevendo em ACS Applied Materials & Interfaces em março de 2011, eles descrevem como conseguiram cultivar nanofibras de carbono de diâmetro uniforme, usando nanopartículas de níquel revestidas com um invólucro feito de ligantes, pequenas moléculas orgânicas com partes funcionais que se ligam diretamente a metais.

As nanopartículas de níquel são particularmente interessantes porque, em altas temperaturas, ajudam a aumentar as nanofibras de carbono. Os pesquisadores também descobriram que havia outro benefício em usar essas nanopartículas, que podiam definir onde as nanofibras cresciam e por posicionamento correto das nanopartículas elas poderiam cultivar as nanofibras em um padrão específico desejado: uma característica importante para materiais úteis em nanoescala.

O chumbo é outra substância que está sendo usada como nanofibra, tanto que o futuro neurocirurgião Matthew MacEwan, que está estudando na Escola de Medicina da Universidade de Washington em St. Louis, fundou sua própria empresa de nanomedicina visando a revolucionar a malha cirúrgica usada. em salas de operação em todo o mundo.

O produto líder é um polímero sintético que compreende fios individuais de nanofibras e foi desenvolvido para reparar lesões no cérebro e na medula espinhal, mas MacEwan acredita que também pode ser usado para corrigir hérnias, fístulas e outras lesões.

Atualmente, as telas cirúrgicas usadas para reparar a membrana protetora que cobre o cérebro e a medula espinhal são feitas de material espesso e duro, que é difícil de se trabalhar. A malha de nanofibra de chumbo é mais fina, mais flexível e mais propensa a se integrar com os próprios tecidos do corpo, diz MacEwan. Cada fio da malha de nanofibra é milhares de vezes menor que o diâmetro de uma única célula. A idéia é usar o material de nanofibra não apenas para facilitar as operações dos cirurgiões, mas também para que haja menos complicações pós-operatórias para os pacientes, porque se decompõe naturalmente ao longo do tempo.

Pesquisadores do Instituto Politécnico da Universidade de Nova York (NYU-Poly) demonstraram recentemente uma nova maneira de fazer makenanofibers a partir de proteínas. Escrevendo recentemente na revista Advanced Functional Materials, os pesquisadores afirmam que eles encontraram quase que por acaso: estavam estudando certas proteínas cilíndricas derivadas da cartilagem, quando perceberam que, em altas concentrações, algumas das proteínas se juntavam espontaneamente e se auto-montavam. intonanofibros.

Eles realizaram outras experiências, como a adição de aminoácidos que reconhecem metais e metais diferentes, e descobriram que podiam controlar a formação de fibras, alterar sua forma e como se ligava a pequenas moléculas. Por exemplo, a adição de níquel transformou as fibras em esteiras aglomeradas, que poderiam ser usadas para desencadear a liberação de uma molécula de droga anexada.

Os pesquisadores esperam que este novo método melhore significativamente a entrega de medicamentos para o tratamento de câncer, doenças cardíacas e doença de Alzheimer. Eles também podem ver aplicações na regeneração de tecidos, ossos e cartilagens humanos, e até mesmo como uma maneira de desenvolver microprocessadores menores e mais poderosos para uso em computadores e eletrônicos de consumo.

Molecular
Uma ilustração esquemática mostrando como nanopartículas ou outras drogas contra o câncer podem ser usadas para tratar o câncer. Esta ilustração foi feita para o Manual Opensource de Nanociência e Nanotecnologia

O que dizer do futuro e das preocupações que envolvem os nanomateriais?

Nos últimos anos, houve uma explosão no número de estudos mostrando a variedade de aplicações médicas da nanotecnologia e nanomateriais. Neste artigo, vislumbramos apenas um pequeno corte transversal desse vasto campo. No entanto, em toda a extensão, existem desafios consideráveis, os maiores dos quais parecem ser como ampliar a produção de materiais e ferramentas, e como reduzir custos e escalas de tempo.

Mas outro desafio é como garantir rapidamente a confiança do público de que essa tecnologia em rápida expansão é segura. E até agora, não está claro se isso está sendo feito.

Existem aqueles que sugerem que as preocupações com a nanotecnologia podem ser exageradas. Eles apontam para o fato de que só porque um material é nanométrico, isso não significa que é perigoso, na verdade as nanopartículas existem desde que a Terra nasceu, ocorrendo naturalmente em cinzas vulcânicas e em spray de mar, por exemplo. Como subprodutos da atividade humana, eles têm estado presentes na Idade da Pedra, na fumaça e na fuligem.

Das tentativas de investigar a segurança dos nanomateriais, o Instituto Nacional do Câncer dos EUA diz que há tantas nanopartículas naturalmente presentes no ambiente que elas “muitas vezes estão em níveis de ordem de grandeza mais altos do que as partículas projetadas que estão sendo avaliadas”. Em muitos aspectos, eles apontam, “a maioria das nanopartículas são muito menos tóxicas do que produtos domésticos de limpeza, inseticidas usados ​​em animais domésticos e remédios para caspa”, e por exemplo, em seu uso como portadores de quimioterápicos no tratamento do câncer. Eles são muito menos tóxicos que as drogas que eles carregam.

Talvez seja mais no setor de alimentos que tenhamos visto algumas das maiores expansões de nanomateriais em nível comercial. Embora o número de alimentos que contêm nanomateriais ainda seja pequeno, parece que mudará nos próximos anos à medida que a tecnologia se desenvolver. Os nanomateriais já são usados ​​para diminuir os níveis de gordura e açúcar sem alterar o sabor, ou para melhorar o preparo para manter os alimentos mais frescos por mais tempo, ou para dizer aos consumidores se o alimento está estragado. Eles também estão sendo usados ​​para aumentar a biodisponibilidade de nutrientes (por exemplo, em suplementos alimentares).

Mas também há interessados, que destacam que, enquanto o ritmo da pesquisa se acelera e o mercado de nanomateriais se expande, parece que não está sendo feito o suficiente para descobrir suas conseqüências toxicológicas.

Essa foi a opinião de um comitê de ciência e tecnologia da Câmara dos Lordes do Parlamento Britânico, que em um relatório recente sobre nanotecnologia e alimentos, levantou várias preocupações sobre nanomateriais e saúde humana, particularmente o risco apresentado por nanomateriais.

Por exemplo, uma área que diz respeito ao comitê é o tamanho e a excepcional mobilidade das nanopartículas: elas são pequenas o suficiente, se ingeridas, para penetrar nas membranas celulares do revestimento do intestino, com o potencial de acessar o cérebro e outras partes do corpo. e até dentro do núcleo das células.

Outra é a solubilidade e persistência dos nanomateriais. O que acontece, por exemplo, com nanopartículas insolúveis? Se eles não puderem ser decompostos e digeridos ou degradados, há um perigo de que eles se acumulem e danifiquem os órgãos? Considera-se que os nanomateriais que compreendem óxidos e metais metálicos inorgânicos são os mais prováveis ​​de representar um risco nesta área.

Além disso, devido à sua alta relação entre área superficial e massa, as nanopartículas são altamente reativas e podem, por exemplo, desencadear reações químicas ainda desconhecidas ou, ao se ligarem a toxinas, permitir a entrada em células que, de outra forma, não teriam acesso.

Por exemplo, com sua grande área de superfície, reatividade e carga elétrica, os nanomateriais criam as condições para o que é descrito como “agregação de partículas” devido a forças físicas e “aglomeração de partículas” devido a forças químicas, para que nanopartículas individuais se unam para formar as maiores. Isso pode levar não apenas a partículas dramaticamente maiores, por exemplo, no intestino, mas também pode resultar na desagregação de aglomerados de nanopartículas, o que poderia alterar radicalmente suas propriedades físico-químicas e reatividade química.

“Tais fenômenos reversíveis aumentam a dificuldade em entender o comportamento e a toxicologia dos nanomateriais”, diz o comitê, cuja conclusão geral é que nem o governo nem os conselhos de pesquisa estão dando prioridade suficiente para pesquisar a segurança da nanotecnologia, especialmente “considerando a escala de tempo em que produtos contendo nanomateriais podem ser desenvolvidos “.

Eles recomendam que muito mais pesquisas sejam necessárias para “garantir que as agências regulatórias possam efetivamente avaliar a segurança dos produtos antes que eles sejam permitidos no mercado”.

Parece, portanto, que, seja real ou percebido, o risco potencial que a nanotecnologia representa para a saúde humana deve ser investigado e ser visto como investigado. A maioria dos nanomateriais, como sugere o NCI, provavelmente será inofensiva.

Mas quando uma tecnologia avança rapidamente, o conhecimento e a comunicação sobre sua segurança precisam acompanhar o ritmo para que ela seja benéfica, especialmente se for também para garantir a confiança do público. Nós só temos que olhar para o que aconteceu, e até certo ponto ainda está acontecendo, com alimentos geneticamente modificados para ver como isso pode dar errado.

Escrito por Catharine Paddock PhD

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